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1、上海工程技术大学 053110270 材料成型综合实验报告 材料成型综合实验报告 学院： 材料工程学院 姓名： XXX 班级： 0531102 学号： XX 指导老师： 刘淑梅 徐纪平 试验日期： 2013 年 12 月 23-28 日实验一 快速成形（RP）技术3D印刷产品原形制造1、 实验目的为了让我们熟悉掌握利用3D印刷快速成形技术制造产品原形的方法并制作一件产品原形。了解这项技术的应用领域。了解3D印刷或FDM快速成形机基本结构及操作原理；了解快速成形技术在模具设计与制造中的应用。三、实验原理 本次试验采用的是FDM（Fused Deposition Manufacturing ）及3
2、D印刷快速成形制造技术。材料包括聚酯、ABS、人造橡胶、熔模制造用蜡和聚酯热塑性塑料等 FDM（Fused Deposition Manufacturing ）工艺又称为熔融沉积成型制造，熔融沉积成型的工作原理是将热熔性材料（ABS、蜡）通过加热器熔化，材料先抽成丝状，通过送丝机构送进热熔喷头，在喷头内被加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将半液动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤出并趁机在制定的位置凝固成形。并与周围的材料粘结，层层堆积成型，熔融挤压成形工艺比较适合于家用电器、办公用品以及模具行业新产品开发，以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体
3、模型制造。该技术无需激光系统，因而价格低廉，运行费用很低且可靠性高。 目前在汽车、家电、电动工具、医疗、机械加工、精密铸造、工艺品制作以及儿童玩具等行业，以及在以下几个方面祈祷了重要作用。1. 产品样本、设计评审、性能测试及装配实验。用户分局快速制造的成型对设计方案进行评审，进行模拟性能测试和模拟装配实验，然后评估生产的可能性，最后将改进信息提供给设计人员，以便以后的修改和优化。2. 将FDM技术和传统的模具制造技术结合在一起，快速模具制造技术可以缩短模具的开发周期，提高生产效率。3. 在生物医学领域，根据扫描得到的人体分层截面数据，制造处人体局部组织或器官的模型，可以用于临床医学辅助诊断复杂
4、手术方案的确定，即制造解剖学体外模型（体外模型）；也可以制造组织工程细胞载体支架结构（人体器官），即作为生物制造工程中的一项关键技术。4. 在微型机械方面，采用某些工艺加工方法，如光固化方法，快速成型制造技术可以用于微型机械的制造和装配。5. 在其他领域，如快速成型技术还可以用于复制文物，制作工艺品的设计原型，展览模型等FDM成型特点：1. 标准的工程热塑性塑料，如ABS可以用来生成结构功能的模型2. 可以使用两种材料。可选栅格结构充当填空3. 加热后的热塑性塑料细丝将挤牙膏一样从喷嘴中挤出4. 热塑性塑料到达较低温度的工作环境平面后迅速冷却固化5. 近年来发展迅速，广受用户的青睐FDM的优点
5、：1. 制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险2. 工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾3. 可快速构建瓶状或中空零件4. 原材料以卷轴线的形式停工，易于搬运和快速更换5. 原材料费用低6. 可选用多种材料。如可染色的ABS和医用ABS，浇铸用蜡和人造橡胶。FDM的适用范围：适合于产品设计的概念建模以及产品的功能测试，由于甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料具有很好的化学稳定性，可采用伽玛射线消毒，特别适用于医用。但成形精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。适用于三维打印，在产品设计评估与校审方面有一定应用。适用于三维打印方面：1. 不使用激光。维护简单，成本低；价格是成型工艺是
6、否于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高。便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。2. 塑材丝材清洁。更换容易；与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存3. 后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间，剥离支撑后原型即可使用。而现在应用较多的SL、SLS、3DP等工艺均存在清理参与液体和粉末的步骤，并且进行后固化处理。需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间，不能在成型完成后立刻使用。4. 成型速度快：一般来讲，FDM工艺相对SL、SLS、3DP工艺来说速度是最慢的，但，针对三
7、维打印应用，其也有一定的优势。首先，SL、SLS、3DP都有层间过程（铺粉/液，挂平）。因而它们一次成型多个原型是速度很快，例如：3DP可以做到一小时成型（25mm左右高度的成型。三维打印机成型空间小，一次多成型1至2个原型，相对来讲，他们的速度优点就不甚明显了。其次，三维打印机对原型强度要求不高。所以FDM工艺可以通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。四、实验过程：1、建模过程： 我们采购了一辆玩具四驱车，然后我用游标卡尺进行测绘并用UG NX软件进行1:1建模。建模的过程总体来说是比较顺利的，主要是车头的和侧翼部分耗费了比较长的时间，整体来说效果不错。其中最大的感触是平常看起来很简单很不
8、起眼的东西要做好也需要很用心才能做好。想底盘中间的电池仓，虽然没有复杂的曲面，但做好这样一个三维模型，每个细小的数据都需要测量出来。而且也正因为它小才让这一切更复杂。1、 实验过程： 把建好的模型消除参数保存，并由UG NX软件导出stl格式的模型。然后把STL格式的模型导入到闪铸软件中，使其居中放置于平台上。因为设备的尺寸限制，还有实验的时间控制考率，我缩放了0.64，因底部是平的，采用面支持面支撑即可。保存后通过软件生成G代码，软件预估造型时间1个半小时。通过SD卡把数据导入打印机中，机器预热后开始打印，最终成型时间在一个小时四十分钟左右。 塑件完成后用小铲子取出，并小心用钳子除去支撑填料
9、。因壳体比较薄，所以模型显得有点单薄。表面较粗糙，侧翼链接部分特别脆弱。五、实验设备1、装有UG NX 电脑一台；2、uPrint 或 uPrint plus 3D打印机一台；3、铲子、钳子等辅助工具。六、思考题1、RP技术都有哪些？简介其中重要的4种技术原理及应用范围；答：按成形材料及技术的不同，RP技术可分为立体光刻造型法(SLA)、粉末烧结法(SLS)、熔化凝结法(FDM)、薄层材料制造法(LOM)、三维印刷法(3DP)、逐层固化法(SGC)。 （1）立体光刻(SLA) 是利用紫外激光扫描光敏树脂、光敏树脂在激光的作用下固化，一层层堆积形成三维实体模型。主要用于高精度塑料件，铸造用蜡模，
10、样件获模型，是目前快速成型技术领域中研究得最多、技术上最为成熟、成型的零件精度最高的方法。 （2）熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。适合于产品设计的概念建
11、模以及产品的功能测试，由于甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料具有很好的化学稳定性，可采用伽玛射线消毒，特别适用于医用。但成形精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。适用于三维打印，在产品设计评估与校审方面有一定应用。（3） 分层实体制造法（LOMLaminatedObjectManufacturing），LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层
12、地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。（4） 三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金属陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等）方面具有较大的优越性。2、简介STL数据格式；答：STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3DCAD模型。STL模型就是对三维实体表面进行离散后用三角形平面片近似表示实体表面
13、而构成的三维实体模型。他是对原三维实体的一种几何近似。当三角形小到一定程度,其近似性可达到工程允许的精度范围,其数据文件称为STL文件。所以它在快速成型领域运用非常广。3、FDM技术为什么适用于3D印刷工艺？答：因为FDM技术制造系统成型速度快、精度高，能成型精细结构。可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险；工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾；可快速构建瓶状或中空零件；原材料以卷轴线的形式提供，易于搬运和快速更换；材料利用率高，无需其它辅助材料，运行成本相对较低。可选用多种材料。如可染色的ABS和医用ABS，浇铸用蜡和人造橡胶。成型工件韧性好、强度高，不但可以作外形测试，而且可以用于装配、
14、冲击、腐蚀等测试。不采用激光发生器，所以维护简单，价格合理，性价比最高。4、简介RE技术；答：逆向工程的概念逆向工程（Reverse Engineering,RE）是对产品设计过程的一种描述。就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。并且可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。5、RP，RE技术与模具设计与制造关系？答：RE(Reverse Engineering)逆向工程技术与RP(Rapid Prototyping)快速成型技术是20世纪设计与制造领域里带有
15、革命性意义的新方法新技术,它们的产生高度集成了各项最先进的技术,从根本上改革了传统的设计与制造思想,极大地促进制造业生产力的发展。基于逆向工程和快速原型技术的快速模具制造技术就是在寻求快速制造模具的新方法 的要求下发展起来的一种极具生命力的先进制造技术，它的工艺流程为对零件测量获得坐标数据，并造型得到CAD模型，然后对模型离散化后输入快速原型机进行快速原型加工，最后以RP件作母模来制作快速模具。6、 实验中遇到了哪些问题？是如何解决的？答：实验中在生成G代码的时候，在选择支持的时我不知道该选那种支持方式，后面经老师介绍后知道三种不同的支持方式对应不同的零件。第一种是无支持，适合结构简单尺寸较小
16、零件。第二种是面支撑，适合底面有弧度，结构简单的零件。第三种是全支撑，适用于结构复杂零件。根据以上条件，我们的零件选择了第二种面支撑。7、 请你简介RE技术应用方面；答：比如逆向工程（RE技术）在汽车工业中的应用，着眼于实际问题就是在汽车设计中怎样进行实物测量和逆向建模，所使用的CAD设计工具主要是UG和CATIA,利用现有的设计方法和手段，根据汽车自身特点，建立起与原模型相近的模型。他可以广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。逆向工程将加快汽车更新换代速度，加快其设计、制造速度，降低研发成本，提高竞争力。8、 原型完成
17、后续工序应有那些？答：原型完成后，用小刀、镊子、钳子等工具，小心除去支撑物。并用砂纸对粗糙部分进行打磨。有需要的还可以涂漆上色，做后期的美化。实验二 冷挤压塑性成形分析一. 实验目的通过对防锈铝LF21试样进行正挤、反挤，分析其剖面上网格变化情况，通过剖面上各部位硬度值的测定及观察金属流线、晶粒变化的特征，了解冷挤压对改变材料机械性能所起到的作用。通过对防锈铝试样的挤压，掌握该材料挤压前的软化、表面及润滑处理的规范，熟悉材料硬度值的测定方法及试样材料金属流线及晶粒的有关金相分析方法。二. 实验设备、仪器及用品1. 退火圆柱试样8个，退火对分半圆柱试样8个，不退火圆柱试样1个。 圆柱试样 对分圆
18、柱试样 材料：LF21 图2-1 实验试样2. YA32-200四柱通用液压机3. 冷挤压模具4. SX-10-13箱式电阻炉5. HR-150DT硬度机6. 金相显微镜7. M-2预磨机8. FUJIFILM FinePix 1400Zoom数码照相机9. 游标高度尺10. 电炉11. 吹风机12. 汽油一瓶13. 硝酸一瓶、王水、 氢氟酸适量14. 工业氢氧化钠60克15. 硬脂酸锌适量16. 操作工具若干（如器皿、镊子、温度计等）三. 实验过程17. (一) 试样预处理18. 防锈铝LF-21试样软化处理：19. 在SX-10-13箱式电阻炉中退火，退火工艺规范如图2-2所示。图2-2
19、试样退火规范20. 铝试样表面处理21. 去脂处理：用汽油清洗；22. 流动冷水清洗；23. 去除退火引起的氧化皮：用工业硝酸配制酸液，酸液浓度为4080g/L，浸洗时间以目测氧化皮完全去除为准；24. 流动冷水清洗；25. 氧化处理：工业氢氧化钠4060g/L，温度5070C，浸洗时间14min；26. 流动冷水清洗；27. 热水洗：温度7080C；28. 干燥。29. 挤压前后网格线变化30. 划分网格31. 取4个对分半圆柱试样，用游标高度尺在试样剖面上均匀划分55mm网格，如图2-3。图2-3 网格划分示意图32. 对划分网格后的剖面进行拍摄记录。33. 挤压34. 在试样外表面均匀涂
20、上硬脂酸锌；35. 将1个划好网格的对分半圆柱试样和另1个不划网格的对分半圆柱试样合并为1个圆柱试样，将其装入模具；36. 在实验教师指导下进行挤压；37. 正挤压件尺寸如图2-4，其中Hf取值如表1HFGED图 2-4 正挤压件图 表 2-1 Hf取值试样号试样1试样2Hf（mm）2515（a） 反挤压件尺寸如图2-5，其中Hb取值如表2试样号试样3试样4Hb（mm）2515 表2-2 Hb取值LJIK图2-5 反挤压件图38. 将挤压完毕的试样从模具型腔中取出，标好记号，用数码相机拍摄或作图描绘变形后的截面网格情况。39. 根据挤压后试样剖面网格变形，分析其变形情况，并找出其剧烈变形区，刚
21、性平移区和“死区”。40. 在材料硬度试验机上对试样剖面各部分进行硬度测定。41. 在实验教师指导下，装入钢珠测头，负荷62.5KN，刻度值取HRB档，进行硬度测定，测量点为图2-3、图2-4、图2-5中的DL（未变形区、变形区、“死区”），将所测硬度值记录在表2-3和表2-4中。42. (三)挤压变形后金属流线分布43. 取8个圆柱试样进行挤压，挤压压下量同前，每种压下参数挤压试样2个；44. 将挤压完毕的试样从模具型腔中取出，标好记号；45. 对半剖分试样；46. 对试样剖面进行抛光、腐蚀；47. 观察、 分析剖面上的流线特点，用数码相机拍摄或作图描绘记录金属流线情况；48. 在金相显微镜
22、下观察试样剖面各部位晶粒变化，并作图描绘。四 .实验结果分析49. 根据防锈铝LF21试样剖面在正挤、反挤后网格变化图，分析金属塑性变形的特点；答：金属进入变形区才发生变形，此区成为剧烈变形区。进入此区以前或离开此区以后金属几乎不变形，仅做刚性平移。50. 对照试样剖面上各部位的硬度值，并结合网格变化情况加以分析；答：变形越剧烈的地方，硬度值越高。未变形区的硬度值最小。这是因为加工硬化现象而产生的。51. 对比分析变形前、后，正挤压、反挤压的金属流线分布情况。答：正挤压由于模具锥面的挤压作用，纵向方格线向中心靠拢，发生不同程度的扭曲，位于模具孔口附近的扭曲变形最为显著，横向坐标线发生很大的弯曲
23、。死区金属很难变形或停留不动。反挤压也是，在剧烈变形区，网格扭曲严重。52. 根据金属流线分布情况和各部分晶粒变化特点，分析冷挤压对金属材料机械性能的影响。答:从金属流线的分布图中可以看出，受挤压的曲面处流线弯曲度较大，有明显变型，此处的流线分布也较密，会造成材料的加工硬化，增大金属的强度及硬度53. 试样剖面上网格、流线照片或描绘图像；答：如右图。54. 实验体会。答：这几天的实验我亲手操作了液压机，切割机以及抛光机，还对试样进行腐蚀，使我对实验的过程有了很深的了解，把理论知识联系起来。让老师跟我们说王水的酸性很强，它是由20ml盐酸、20ml硫酸、5ml氢氟酸、20ml水配制而成，比较危险
24、，我们须小心操作。腐蚀的时间也很有讲究，腐蚀过头会使试样发黑，腐蚀不足又会使流线看不清楚。我最后做出来的流线很清楚，但是由于抛光不够彻底表面留有划痕。硬度测量数据记录表状态试样测量位置123均值正挤压塑性变形后试样1-1（对分试样）D45.941.340.342.5E60.157.558.358.6F57.951.051.753.5G60.557.457.358.4H49.450.851.350.5试样2-1（对分试样）D40.240.340.140.2E55.855.356.455.8F58.458.958.358.5G55.354.955.755.3H52.352.352.752.4反挤压塑性变形后试样3-1（对分试样）I65.565.365.565.4J165.565.665.865.6J40.940.940.340.7L47.947.348.147.8K48.448.548.948.6试样4-1（对分试样）I47.947.547.947.8J153.353.152.953.1J47.947.547.947.8L47.947.347.447.5K48.848.549.148.813